隨著閱讀器與標(biāo)簽價(jià)格的降低和全球市場(chǎng)的擴(kuò)大，射頻標(biāo)識(shí)RFID(以下簡稱RFID)的應(yīng)用與日俱增。標(biāo)簽既可由閱讀器供電(無源標(biāo)簽)，也可以由標(biāo)簽的板上電源供電(半有源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽)。由于亞微型無源CMOS標(biāo)簽的成本降低，庫存和其他應(yīng)用迅速增加。一些評(píng)估表明，隨著無源標(biāo)簽的價(jià)格持續(xù)下降，幾乎每一個(gè)售出產(chǎn)品的內(nèi)部都將有一個(gè)RFID標(biāo)簽。由于無源RFID標(biāo)簽的重要性及其獨(dú)特的工程實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)性，本文將重點(diǎn)研究無源標(biāo)簽系統(tǒng)。
當(dāng)接收到來自閱讀器的CW信號(hào)時(shí)，無源標(biāo)簽對(duì)射頻RF(以下簡稱RF)能量進(jìn)行整流以生成保持標(biāo)簽工作所需的小部分能量，然后改變其天線的吸收特點(diǎn)以調(diào)制信號(hào)，并通過反向散射反射給閱讀器[參閱圖1]。RFID系統(tǒng)通常使用簡便的調(diào)制技術(shù)和編碼體制。然而，簡單調(diào)制技術(shù)的頻譜效率低，對(duì)于某一給定的數(shù)據(jù)速率，它所要求的RF帶寬多。在調(diào)制前，必須將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼形成一連續(xù)的信息流。可用的位編碼體制有很多類型，每一類編碼都有其基帶頻譜性能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、編解碼的復(fù)雜性以及在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下將數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器的困難性。由于標(biāo)簽板上定時(shí)源很難達(dá)到實(shí)際所需的準(zhǔn)確性，以及挑戰(zhàn)性的帶寬要求和最大化RF能量傳輸以向標(biāo)簽供應(yīng)能量等原因，無源標(biāo)簽對(duì)所使用的編碼體制有獨(dú)特的要求。最后，需要某種防沖突協(xié)議以便閱讀器能夠讀取其覆蓋范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽。
每一個(gè)RFID通信系統(tǒng)都必須通過監(jiān)管要求并符合所用標(biāo)準(zhǔn)。然而，今天，系統(tǒng)優(yōu)化將這個(gè)快速增長產(chǎn)業(yè)中的勝者與輸者分離開來。本文討論的是RFID通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師所面對(duì)的測(cè)試挑戰(zhàn)：監(jiān)管測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)一致性和優(yōu)化。
RFID技術(shù)有幾個(gè)不同尋常的工程測(cè)試挑戰(zhàn)，例如瞬時(shí)信號(hào)、帶寬效率低的調(diào)制技術(shù)和反向散射數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的掃頻調(diào)諧頻譜分析儀、矢量信號(hào)分析儀和示波器已被用于無線數(shù)據(jù)鏈路的開發(fā)。然而，這些工具用于RFID測(cè)試時(shí)都存在一些缺點(diǎn)。掃頻調(diào)諧頻譜分析儀難以準(zhǔn)確捕獲和刻畫瞬時(shí)RF信號(hào)。矢量信號(hào)分析儀實(shí)際上不支持頻譜效率低的RFID調(diào)制技術(shù)及特殊解碼要求?？焖偈静ㄆ鞯臏y(cè)量動(dòng)態(tài)范圍小，不具備調(diào)制和解碼功能。實(shí)時(shí)頻譜分析儀RTSA(以下簡稱RTSA)克服了這些傳統(tǒng)測(cè)試工具的局限性，具備對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的優(yōu)化，通過泰克享有專利的頻率模板觸發(fā)器能夠可靠觸發(fā)復(fù)雜的真實(shí)頻譜環(huán)境下的特定頻譜事件。
監(jiān)管測(cè)試
每個(gè)電子設(shè)備制造商都必須符合設(shè)備銷售地或使用地的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。許多國家正在修改監(jiān)管法規(guī)以緊跟無源 RFID標(biāo)簽的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)鏈路特點(diǎn)。大多數(shù)監(jiān)管部門禁止設(shè)備的CW發(fā)射，除非用于短期測(cè)試。無源標(biāo)簽要求閱讀器發(fā)送CW信號(hào)以向標(biāo)簽供應(yīng)能量并經(jīng)過反向散射實(shí)現(xiàn)調(diào)制。即使無源標(biāo)簽沒有一個(gè)典型的發(fā)射器，仍能發(fā)出一個(gè)被調(diào)制的信號(hào)。然而，許多規(guī)定并沒有涉及基于無發(fā)射器的調(diào)制。多種頻譜發(fā)射測(cè)試并沒有明確地包含在閱讀器的RFID標(biāo)準(zhǔn)中，但卻成為了規(guī)定。
政府規(guī)定要求控制發(fā)射信號(hào)的功率、頻率、帶寬。這些規(guī)定防止有害干擾并保證每個(gè)發(fā)射者都是頻帶內(nèi)其他用戶的友好鄰居。對(duì)于許多頻譜分析儀特別是通常用于脈沖信號(hào)能量測(cè)量的掃頻頻譜分析儀，進(jìn)行此類測(cè)量是具有挑戰(zhàn)性的。RTSA能夠分析一個(gè)完整的分組發(fā)射過程的能量特點(diǎn)，也能直接測(cè)量跳頻信號(hào)的載波頻率，而無需將信號(hào)置于一個(gè)跨度的中心。按一下按鍵，分析儀就能識(shí)別一個(gè)瞬時(shí)RFID信號(hào)的調(diào)制方式并能夠?qū)β?、頻率和帶寬進(jìn)行監(jiān)管測(cè)量，使預(yù)一致性(pre-compliance)測(cè)試過程變得非常靈活和方便。預(yù)一致性測(cè)試有助于確保產(chǎn)品一次通過一致性測(cè)試，而無需重新設(shè)計(jì)和重新測(cè)試。
標(biāo)準(zhǔn)一致性
閱讀器和標(biāo)簽之間可靠的相互作用要求與ISO18000-6C類型規(guī)范等產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相一致。該要求增加了許多超出基本要求的測(cè)試以滿足政府的頻譜發(fā)射要求。RF一致性測(cè)試十分關(guān)鍵，有助于確保標(biāo)簽和閱讀器間的可靠協(xié)同工作。
預(yù)編程測(cè)量能減少進(jìn)行這些測(cè)試所需的建立時(shí)間。例如，ISO18000-6C類型的一個(gè)重要測(cè)量是啟動(dòng)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間。載波能量上升時(shí)間必須足夠快以保證標(biāo)簽采集到使其正常工作的充足能量。信號(hào)也必須迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)射結(jié)束時(shí)，載波能量下降時(shí)間必須足夠快，以防止其他發(fā)射受到干擾。
一些RFID設(shè)備使用了經(jīng)過優(yōu)化的面向特定應(yīng)用的專用通信機(jī)制。這種情況下，工程師需要一種分析儀能夠提供多種調(diào)制和編碼機(jī)制，可根據(jù)所使用的特定格式，對(duì)這些調(diào)制和編碼機(jī)制進(jìn)行編程調(diào)整。
優(yōu)化
一旦滿足基本規(guī)范，對(duì)RFID產(chǎn)品的性能進(jìn)行優(yōu)化以贏得某一特定市場(chǎng)空間的競爭優(yōu)勢(shì)就顯得尤為重要。性能指標(biāo)包括標(biāo)簽的讀取速度、標(biāo)簽在多閱讀器環(huán)境中的工作能力和標(biāo)簽與閱讀器之間的距離。在消費(fèi)應(yīng)用中，標(biāo)簽與閱讀器之間的通信速度直接影響用戶的滿意度。例如，使用RFID的公共運(yùn)輸業(yè)，讀取時(shí)間由5秒鐘降低到小于半秒鐘后，才得到廣泛認(rèn)可。在工業(yè)應(yīng)用中，速度就意味著生產(chǎn)量：生產(chǎn)量越高，資金和人力資源的使用效率就越高。由于無源標(biāo)簽從RFID閱讀器獲得它們正常工作所需的能量，多個(gè)閱讀器可能導(dǎo)致標(biāo)簽試圖對(duì)詢問它的每一個(gè)閱讀器都進(jìn)行響應(yīng)。在多閱讀器情況下，為改善系統(tǒng)的吞吐量需要使用某種防沖突協(xié)議。最后，為最大化標(biāo)簽的讀取范圍，載波對(duì)噪聲(carriertonoise)的要求應(yīng)當(dāng)最小化，但是這可能與通過最小化載波的不工作時(shí)間以防止標(biāo)簽耗盡能量的需要相沖突。這些優(yōu)化措施對(duì)工程師和測(cè)量設(shè)備提出了挑戰(zhàn)。
讓我們看一個(gè)具體的例子——優(yōu)化通信速度，也稱為翻轉(zhuǎn)時(shí)間TAT(以下簡稱TAT)。可用的RF能量、路徑衰落和經(jīng)過更改的符號(hào)速率能延長標(biāo)簽對(duì)閱讀器查詢的響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)越慢，讀取多個(gè)標(biāo)簽所花費(fèi)的時(shí)間就越長。快速測(cè)量TAT對(duì)優(yōu)化RFID系統(tǒng)的速度是非常必要的。
使用RTSA可以很容易地測(cè)量TAT。首先，需要安裝一個(gè)頻率模板觸發(fā)器以獲取標(biāo)簽與閱讀器之間的整個(gè)查詢。RTSA的功率與時(shí)間關(guān)系視圖使用戶能夠觀看整個(gè)發(fā)射過程。習(xí)慣認(rèn)為一個(gè)下行鏈路傳輸(由閱讀器到標(biāo)簽)結(jié)束到下一個(gè)下行鏈路傳輸開始之間的時(shí)間就是半雙工系統(tǒng)的TAT。將一個(gè)標(biāo)記放在標(biāo)簽詢問的結(jié)束點(diǎn)，第二個(gè)δ標(biāo)記置于反向散射的結(jié)束點(diǎn)或下一次閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射的開始點(diǎn)，就可以精確測(cè)量出 TAT時(shí)間。在大范圍下行鏈路的條件下維持最短的TAT將有助于系統(tǒng)吞吐量的最大化。
RTSA也能解調(diào)與標(biāo)簽查詢相關(guān)的符號(hào)或比特。用戶只需選擇相應(yīng)的RFID標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)制類型和解碼格式。分析儀能自動(dòng)檢測(cè)并顯示鏈路的比特率。為進(jìn)一步提高工程師的生產(chǎn)效率，對(duì)恢復(fù)出的數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行了基于功能的顏色編碼(color-coded)。 RTSA能夠自動(dòng)識(shí)別前導(dǎo)符并將那些符號(hào)染成黃色。這易于識(shí)別實(shí)際的數(shù)據(jù)負(fù)荷并與已知值進(jìn)行比較。